重慶廣播電視大學(xué) 劉旭飛 李曉輝

重慶公安局治安總隊 梁新宇

1.引言

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)是通過傳感器將采集的現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣、量化、編碼后，成為數(shù)字信號，存入數(shù)據(jù)存儲器或送給微處理器進(jìn)行處理[1，4]。但在強干擾或惡劣的條件下，這種方式很難滿足測量的需要。因此，建立一種能在強干擾背景下提取有效信號，能夠通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)進(jìn)行采集的系統(tǒng)是十分必要的。

無線傳輸就是通過無線通信技術(shù)把傳感器測得的模擬電信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備[2]。在此基礎(chǔ)上，本文提出將傳感器所輸出帶有干擾信號的微弱信號經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行提取，去除干擾信號，然后將有效信號經(jīng)無線傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備，再經(jīng)過上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，從而滿足極端環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由以下幾個部分構(gòu)成：信號調(diào)理模塊、無線收發(fā)模塊、上位機(jī)處理模塊。信號調(diào)理模塊主要是將傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大、送入相關(guān)器中進(jìn)行去除干擾信號，提取出較為純凈的有效信號。無線收發(fā)模塊主要是將信號調(diào)理模塊中輸出的信號經(jīng)單片機(jī)與無線收發(fā)芯片進(jìn)行無線傳輸，經(jīng)MAX232接口將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)中。上位機(jī)模塊主要是對采集到信息進(jìn)行顯示、處理及數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3.信號調(diào)理模塊

對傳感器端輸出的信號采用的INA114集成儀表放大器進(jìn)行放大，它是一種精密、低功耗集成儀表放大器，采用放大器的虛地技術(shù)[6，7]，可以阻斷在環(huán)境中部分干擾信號的進(jìn)入，提高放大器的電磁兼容能力。將兩路放大后的信號輸入數(shù)字相關(guān)器[5]中進(jìn)行信號的去干擾，然后將相關(guān)器輸出的有效信號輸入無線收發(fā)模塊。數(shù)字相關(guān)器由交流放大器、開關(guān)式乘法器、低通濾波器、積分器等組成，利用互相關(guān)[3]的原理進(jìn)行同步相干檢測。

4.無線收發(fā)模塊

4.1 無線收發(fā)模塊硬件設(shè)計與分析

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 無線收發(fā)模塊電路

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程

圖4 寄存器配置參數(shù)圖

由單片機(jī)AT89C52和射頻芯片CC1100一起實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，并由單片機(jī)來控制射頻芯片的收發(fā)過程。AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。CC1100是一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器[10]，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計，體積小、靈敏度高（1.2kbps下110dBm，1%數(shù)據(jù)包誤差率），能應(yīng)用于極端環(huán)境條件下的無線數(shù)據(jù)傳輸。如圖2所示，由于AT89C52本身沒有SPI串行總線接口，所以用P2口來模擬SPI接口與CC1100進(jìn)行通信。CC1100的SI為連續(xù)配置端口，為數(shù)據(jù)輸入腳；SCLK引腳為時鐘輸入端口；SO口為數(shù)據(jù)輸出口，當(dāng)CSn為高電平時可選為一般輸出腳；GDO0和GDO2為數(shù)字I/O腳，可連續(xù)輸入TX數(shù)據(jù)；CSn為連續(xù)配置端口，用來選擇芯片，以上幾個端口在本系統(tǒng)中由單片的P2口控制來實現(xiàn)無線收發(fā)的目的，其中4線SPI為SI，SO，SCLK和CSn端口。其通信過程如下：單片機(jī)將接收的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通SPI接口送給處于發(fā)射狀態(tài)下的CC1100，再由CC1100轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去，處于接收狀態(tài)下的CC1100芯片收接有效的數(shù)據(jù)后，將數(shù)字信號通過SPI接口送給單片機(jī)，再通過接口電路將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)，進(jìn)行實時分析和處理。這個模塊無線傳輸數(shù)字信號，避免模擬信號帶來的干擾，在實際應(yīng)用中，工作在極端環(huán)境下的發(fā)射模塊部分，由單片機(jī)構(gòu)成的微控制器和射頻發(fā)射模塊之間的干擾也需要抑制，尤其是射頻電路對電源噪聲相當(dāng)敏感，因此在集成電路電源引腳處分別采用去耦合[8]的方法來抑制干擾。

4.2 無線收發(fā)模塊軟件分析

本文中所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸是通過單片機(jī)控制射頻芯片來完成的，因而在上位機(jī)中可利用軟件編程來實現(xiàn)單片機(jī)的控制，測量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件流程圖如圖3。

單片機(jī)通過SPI接口來與射頻CC1100通信，因此也需配置好射頻芯片的寄存器以滿足數(shù)據(jù)的發(fā)射與接收，CC1100配置寄存器[10]位于SPI地址從0x00到0x2F之間。所有的配置寄存器均能讀和寫，讀/寫位控制寄存器是讀或者寫。當(dāng)對寄存器寫時，每當(dāng)一個待寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸?shù)絊I腳時，狀態(tài)字節(jié)將被送至SO腳。通過在地址頭設(shè)置突發(fā)位，連續(xù)地址的寄存器能高效地被訪問，這個地址在內(nèi)部計數(shù)器內(nèi)設(shè)置起始地址。每增加一個新的字節(jié)（每8個時鐘脈沖），計數(shù)器值增加1。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，采用字模式方式傳送，從緩沖寄存器中一次取8位到移位寄存器，經(jīng)過調(diào)制發(fā)射出去，當(dāng)移位寄存器空時，再從緩沖寄存器中取8位，而緩沖寄存器的數(shù)據(jù)裝入是由單片機(jī)中斷引發(fā)的，在接收數(shù)據(jù)時，射頻芯片接到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過低噪聲放大器、濾波處理、解調(diào)處理后被送進(jìn)移位寄存器中，然后再存入緩沖寄存器，再經(jīng)處理器把數(shù)據(jù)取出。寄存器的配置參數(shù)（在SmartRF Studio中配置）如圖4。

5.上位機(jī)模塊

在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，可采用基于LabVIEW的PC機(jī)軟件通過MAX232接口與單片機(jī)通信，從而控制串口和無線模塊的收發(fā)，并通過LabVIEW來處理接收到的數(shù)據(jù)，在其操作面上顯示實時測得數(shù)據(jù)信號。LabVIEW用VISA節(jié)點[9]來實現(xiàn)串行通信，單片機(jī)和上位機(jī)之間是用MAX232串口通信[8]，LabVIEW中可以用VISA接口模塊進(jìn)行串行通信。

6.結(jié)束語

本文基于RF CC1100收發(fā)芯片，設(shè)計了無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了短距離數(shù)據(jù)無線接收功能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線測量。在系統(tǒng)前端設(shè)計了合理的信號調(diào)理電路，實現(xiàn)了對微弱信號的提取，去除有效信號中的干擾，且在電路設(shè)計中采取了一系列的抗干擾措施，如使放大器虛地、集成電路去耦合化等，提取較好有用信號，提高測量精度，且便于測量。經(jīng)測試表明：此測量系統(tǒng)能有效抑制干擾，外圍電路少，通用性強，成本低且便于測量和顯示，具有較大的實用價值。

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[10]CC1100 Datasheet [DB/OL].http://cn.alldatasheet.com/data sheet-pdf/pdf/162166/ETC1/CC1100.html.